Энергия

Энергия

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ

1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ

1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ

1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО

ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

2.1 СПРОС НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

2.2 СНАБЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЕЙ

2.3 ТОПЛИВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СЕГОДНЯ

2.4 РЕСУРСЫ ДЛЯ БУДУЩЕГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

2.5 ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

2.6 СРАВНЕНИЕ УГЛЯ И УРАНА

2.7 ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Единственное использование неоружейного урана осуществляется лишь в

мощных ядерных реакторах. Во всем мире сегодня эксплуатируются более 1000

ядерных реакторов:

. Приблизительно 280 малых реакторов используются для научных

исследований и производства изотопов для медицины и промышленности.*

. Более 400 реакторов приводят в движение морские суда, главным образом,

атомные подводные лодки.

. Более 430 мощных реакторов используются для производства

электроэнергии.

|*Австралия имеет только один исследовательский действующий реактор, |

|который будет заменен в 2005 году. Канада имеет несколько малых |

|исследовательских реакторов в университетах и два малых реактора, |

|предназначенных для производства изотопов, которые находятся в стадии |

|строительства. |

Фактически весь уран, производимый сегодня, идет на производство

электроэнергии (хотя незначительное его количество используется для

создания радиоизотопов). Его использование в этих целях уже конкурирует с

углем и с природным газом.

Более чем за 40 последних лет ядерная энергия стала одним из главным

источников электроэнергии в мире. Сейчас вклад ядерной энергетики в мировое

производство электроэнергии составляет 16 процентов, что эквивалентно

полному производству электроэнергии "тринадцатью Автралиями" или "пятью

Канадами". Ядерная энергия может внести вклад и намного больший, особенно

если по экологическим соображениям она будет признана экономически более

выгодной и этически желательной. А Австралийский и Канадский уран будет

необходим для того, чтобы снабжать топливом часть этого мирового

производства электроэнергии.

Дебаты вокруг урана, ядерной энергетики и иных способов производства

электроэнергии говорят нам о том, что ни один из них не обходится без

некоторого риска или побочных эффектов

После первого издания этой книги в 1978 многие из оптимистических

прогнозов относительно альтернативных источников энергии оказались

совершенно нереалистичными (также как и некоторые прогнозы относительно

ядерной энергии). Однако, важно понять, что возвращение к действительности

не должно привести к их полному пренебрежению. Альтернативные источники

энергии должны и дальше исследоваться и применяться там, где они

соответствуют своему назначению. В особенности большой эффект может быть

достигнут при правильном согласовании расположения, масштаба и

термодинамических характеристик источников энергии со специфическими

энергетическими потребностям. Такие действия должны иметь более высокий

приоритет по сравнению с прямым увеличением производства "высокосортной"

электроэнергии в условиях, где требуется только "низкосортная" теплота..

Всякий раз, когда вопрос об использовании ядерной энергии возникает

вновь, появляются такие, кто желал бы поместить джина обратно в бутылку и

вернуться к эпохе "до ядерной невинности". Такие настроения становятся

преобладающими и в Австралии, потому что эта страна никогда не использовала

ядерную энергию. Австралия, вероятно, единственная развитая страна, в

которой, жители не получают никакой доли "ядерного электричества". Заметим,

что Франция вырабатывает 75 процентов всей электроэнергии только за счет

своей ядерной энергетики. Это самый крупный в мире экспортер

электроэнергии, получающий почти пять миллиардов долларов в год от такого

экспорта. По соседству - Италия, одна из индустриальных стран без каких-

либо работающих атомных электростанций. Это самый крупный в мире импортер

электроэнергии, большая часть которой поступает из Франции.

Весь Австралийский и Канадский уран продается исключительно на мирное

использование, преимущественно для производства электроэнергии. Ничего не

идет на изготовление оружия - это гарантированно международными мерами

безопасности.

И я надеюсь, что наши следующие поколения будут смотреть на ядерное

оружие скорее как на начальную "болезнь роста" ядерного века, чем как на

главную его характеристику (что было характерно для бронзового и железного

веков).

При написании этой книги были предприняты значительные усилия, чтобы

учесть все многообразие современной информации о производстве

электроэнергии с помощью ядерных установок. Приводимые в книге данные и

цифры являются общепризнанными, и обобщения не нарушают строгости нашего

исследования. Читатель не увидит на страницах многих из часто повторяемых

утверждений сторонников или противников ядерной энергетики. В книге мы не

будем обсуждать и социальные проблемы. Начиная с первого издания, намерение

авторов состояло в том, чтобы отойти от споров, от предвзятого подбора

аргументов, а представить только факты относительно энергетических

потребностей человечества и как они могут удовлетворяться, в том числе и

ядерной энергией. Текст был полностью проверен экспертами, которые несут

ответственность перед обществом за свой профессионализм. Четвертое издание

книги для школ и населения было подготовлено в рамках совместной

Австралийской и Канадской инициативы и это сотрудничество продолжается до

сих пор.

[pic]

Рисунок 1. Расход органического топлива

Мы не можем неограниченно использовать органическое топливо с таким темпом,

как мы делаем это сегодня.

Каждый способ производства и преобразования энергии оказывает влияние

на окружающую среду и несет определенные риски. Ядерная энергетика не

исключение, но ее влияние часто неправильно истолковывается, а риски

излишне завышаются. Ядерная энергия остается безопасным, доступным и

экономичным источником электроэнергии.

Настоящее 6-ое издание этой книги выходит в то время, когда нарастает

беспокойство за непрерывное загрязнение среды, усиливается недоверие к

науке и технике, "демонизируется" ядерная энергетика. Это беспокойство

обусловлено с одной стороны появляющимися доказательствами увеличения

глобальных температур, вызванных сжиганием органического топлива, а с

другой стороны - Чернобыльской катастрофой 1986 года. Во введении к первому

изданию этой книги в 1970-ых выражалось мнение, что, если большие усилия

направлять в обеспечение безопасности и эффективности коммерческой ядерной

энергетики, и, соответственно, меньшие в идеологические сражения с теми,

кто желал бы видеть мир без нее, мировое сообщество значительно выиграло бы

материально. После трагического опыта Чернобыля и последовавших

существенных изменений в оценке безопасности ядерных объектов, появившихся

сегодня возможностях рециркуляции оружейного урана для производства

электроэнергии, кажется, что сегодня мы наиболее близки к такому состоянию

дел.

Глава 1

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

1.1 ЭНЕРГИЯ СЕГОДНЯ

1.2 ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ

1.3 ПРОИЗВОДСТВО ЭНЕРГИИ

1.4 ИЗМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВЕ

1.5 ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ И ЭНЕРГОПРОИЗВОДСТВО БУДУЩЕГО

1.1 Энергия сегодня

Вся потребляемая энергия приходит к нам, в конечном счете, или от

солнца или из недр земли. Солнце согревает нашу планету, снабжает требуемым

светом и теплом растения для роста. В далеком прошлом солнце таким же

образом снабжало нашу планету энергией. Эта энергия преобразовывалась в

растения, поддерживала жизнь животных. Благодаря этому мы получаем сегодня

уголь, нефть и природный газа - так называемые органические топливные

ресурсы, от которых существенно зависит наша цивилизация.

Единственный альтернативный источник энергии не органического

происхождения, находящийся в земле, - это атомы некоторых элементов,

которые сформировались задолго до появления солнечной системы. Они

находятся сегодня в земной коре *.

|* Уран, содержащийся в земной коре, сформировался приблизительно 6.5 |

|миллиардов лет назад, и его концентрация в среднем составляет 0.14 %. |

|Теплота от радиоактивного распада этого урана сегодня управляет |

|процессами конвекции в земной коре. |

Количество энергии на единицу массы атома зависит от размера атома:

минимальное количество энергии на единицу массы содержится в атомах средних

размеров (таких как углерод и кислород), в то время как большее количество

содержится в малых атомах (таких как водород) или больших (таких как уран).

Энергия поэтому может быть получена либо путем соединения малых атомов в

атомы средних размеров (синтез), либо путем деления больших атомов на атомы

средних размеров (расщепление). Освоение человечеством энергии синтеза и

энергии расщепления является одним из наиболее важных достижений последнего

столетия.

Начиная с 1970-ых годов, было много написано о надвигающемся "мировом

энергетическом кризисе", который обычно связывают с кризисом

нефтедобывающей промышленности. Рисунок 1 во Введении очень наглядно

иллюстрирует важное значение сохранения ископаемых топливных ресурсов для

будущих поколений.

Хотя с 1970-ых годов и проводится политика сохранения природных

запасов сырой нефти, тем не менее, лет через 50 все ресурсы органического

топлива кроме угля будут исчерпаны. Уголь к тому времени займет ту же роль,

какую нефть занимает сегодня, особенно в качестве ценного химического

сырья.

Большое значение сохранения органических источников энергии очевидно

даже в областях, где пока их использование достаточно дешево. Постепенное

выравнивание энергетических потребностей в развитых странах за последнее

десятилетие является результатом увеличения производства энергии. Однако,

непрерывный рост энергетических запросов в развивающихся странах постоянно

увеличивает расход природных ресурсов планеты, несмотря на стремление к их

сохранению.

Многие люди в развивающихся странах стремятся к уровню жизни,

характерному для развитых стран. Осуществление этих надежд зависит от

доступности энергетических ресурсов. Рост населения земли от сегодняшнего

уровня в 6 миллиардов к прогнозируемому в 7.5 миллиардов в 2020 году

значительно увеличит потребности в энергии.

1.2 Потребности в энергии

Энергетические потребности индустриальных стран определяются тремя

основными факторами:

. Коммунальное хозяйство и торговля

. Промышленность и сельское хозяйство

. Транспорт

Во многих странах каждая из этих позиций составляет примерно одну

треть всех энергетических потребностей, хотя размер коммунального

потребления существенно зависит от климатических особенностей страны. В

Австралии, например, внутренние потребности относительно малы, а в Канаде

несколько больше из-за более холодного климата.

Более определенно можно говорить о специфических потребностях, если

учитывать следующие факторы:

. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных

процессов вода с температурой до 110 °C.

. Требуется ли для снабжения теплом населения и производственных

процессов вода с более высокой температурой (более чем 110 °C).

. Каковы потребности в освещении.

. Каково энергопотребление в производстве.

. Насколько развит общественный и частный транспорт.

Некоторые из них удовлетворяются поставками электрической энергии,

потребность в которой во всем мире постоянно растет (см. ниже раздел 2.1).

Таблица 1.

Производство электроэнергии

Тераватт часы (TВтч, или миллиард кВтч)

| |1987|1997|Темпы роста |

| | | |за последние |

| | | |десять лет |

|Все страны, входящие в "Организацию |6232|8839|42 % |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Все страны, не входящие в "Организацию |4368|5110|17 % |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Во всем мире |1060|1394|32 % |

| |0 |9 | |

|Страны, не входящие в "Организацию | | | |

|экономического сотрудничества и развития" | | | |

|Страны бывшего СССР |1660|1234|-17 % |

|Африка |280 |399 |42 % |

|Латинская Америка |542 |688 |27 % |

|Азия (исключая Китай) |613 |1053|72 % |

|Китай |497 |1163|134 % |

|Ближний Восток |197 |366 |86 % |

1.3 Производство энергии

Многообразие существующих сегодня источников энергии можно разбить на

три основные категории:

. Возобновляемые источники энергии: древесина и некоторые зерновые

культуры, пригодные для производства, например, этилового спирта или

метанола.

. Невозобновляемые источники энергии: уголь, газ и нефть (органические

топливные ресурсы), уран и торий (энергия расщепления), тритий и

дейтерия (энергия синтеза) *.

. Возобновляемые естественные источники энергии: солнечная теплота и

свет, энергия ветра, энергия океанских волн, энергия течения рек,

геотермальное тепло, океанские температурные градиенты.

|* Если дейтерий (тяжелый водород) будет когда-либо использован для |

|реализации устойчивой реакции синтеза, то большие количества этого |

|элемента, находящегося в морской воде, делают его практически |

|безграничным энергетическим ресурсом. Поэтому его можно классифицировать|

|как возобновляемый источник энергии (см. также 2.4). |

Эти основные энергоисточники позволяют получать следующие

энергоносители:

. Электроэнергия, которая может быть получена от многих основных

источников.

. Водород, который получают, главным образом, электролизом воды.

. Этиловые спирты, получаемые из древесины и других растительных

материалов.

. Бензин и газ, которые получают из нефти и угля.

На сегодняшний день важнейшее значение для человечества имеет

электроэнергия, хотя и водород имеет перспективы играть существенную роль в

будущем.

Многие энергетические потребности могут быть удовлетворены более чем

одним видом энергоносителя. Например, теплота может производиться либо с

помощью любого органического топлива, либо с помощью электроэнергии, либо с

помощью энергии солнца. Энергоноситель для транспорта (бензин, керосин и

проч.) может быть получен из нефти или газа. В будущем, возможно, водород

здесь займет главную роль.

Экономическая целесообразность подразумевает, что источники энергии

типа нефти и ее производных должны не использоваться там, где они могут

быть замещены более подходящим топливом.

Основные энергетические ресурсы Австралии и Канады показаны в Таблицах

2A и 2B. Австралия имеет большие природные запасы угля и урана, и намного

меньшие нефти и газа. Это находит свое отражение в торговле энергетическими

ресурсами. Обе страны импортируют нефть и экспортируют уголь и уран. Канада

имеет большие природные запасы урана, который составляет важную часть ее

экспорта, наряду с углем и газом.

Таблица 2A.

Энергетическое состояние Австралии*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

| |Экономические |Полный расход|Торговля |

| |ресурсы (ПДж) |1997-78 |1997-78 |

|Каменный уголь |1 323 000 |1 374 |4 617 |

| | | |(экспорт) |

|Бурый уголь |398 000 |630 |2 (экспорт в |

| | | |брикетах) |

|Нефть |15 650 |1 657 |421 (импорт) |

|Сжиженный нефтяной газ |4 611 |7 |148 (экспорт)|

|Природный газ |53 040 |860 |412 (экспорт)|

|Уран (для легко-водных |444 000 |- |3 015 |

|реакторов) | | |(экспорт) |

|Гидроэлектроэнергия | |56 | |

|Древесина и прочее | |226 | |

| |Всего |4 810 |8 615 |

| | | |(экспорт) |

|* Таблица не включает большое количество солнечной энергии, используемой|

|внутри страны. Например, Австралийская солевая промышленность использует|

|приблизительно 1000 ПДж в год на производство соли естественным |

|испарением воды, что составляет, примерно, 2/3 всей энергии, |

|вырабатываемой в стране с помощью нефти. |

Таблица 2B.

Энергетическое состояние Канады*

(Петаджоули - 1015 Джоулей)

| |Экономические |Полный расход|Торговля |

| |ресурсы (ПДж) |1998 |1998 |

|Уголь: антрацит и |120 000 | |517 |

|битуминозный | | |(экспорт) |

|Уголь: весь | |1271 | |

|Уголь: подбитуминозный и |76 000 | | |

|лигнит | | | |

|Нефть |53 200 |4 098 |1 832 |

| | | |(экспорт) |

|Природный газ |74 400 |2 646 |3 356 |

| | | |(экспорт) |

|Уран (для легко-водных |255 000 | |4 137 |

|реакторов) | | |(экспорт) |

|Уран (для реакторов |332 000 |780 | |

|CANDU) | | | |

|Гидроэлектроэнергия | |1 085 |99 |

| | | |(экспорт) |

|Другие | |569 | |

| |Всего |10 449 |9 941 |

| | | |(экспорт) |

1.4 Изменения в энергопотреблении и энергопроизводстве

Распределенность энергетических ресурсов на планете означает, что с

ростом их потребления, увеличивается и роль международной торговли в этой

сфере. Энергетически бедные страны становятся зависимыми от поставок

энергоносителей странами, богатыми энергоресурсами. Из-за фундаментального

значения энергии для экономики, такие страны-импортеры становятся уязвимыми

как с политической так и с экономической точек зрения.

Наглядная иллюстрация этого - существенное изменение роли нефти. До

начала 1970-ых годов многие страны пришли к зависимости от импорта нефти из-

за ее относительно низкой цены, а мировое производство нефти выросло втрое

за период с 1960 по 1973 годы. Внезапное, почти четырехкратное повышение

цен на нефть привело к тому, что в 1979 году разразился "нефтяной кризис".

В результате, мировое потребление нефти в 1986 году осталось таким же, как

и в 1973, несмотря на существенное увеличение полного энергопотребления в

мире. Прогнозы же 1972 года предсказывали двойное увеличение потребления

нефти через десять лет (т.е. к началу 1980-ых годов).

Япония, например, имеет незначительные собственные запасы угля, нефти

и гидроэнергоресурсов. Это означает, что без увеличения импорта нефти она

не в состоянии покрыть три четверти своих потребностей в энергии. Даже США,

имеющие собственные запасы нефти, сталкиваются с трудностями по оплате

импорта необходимого количества нефти, покрывающего снижение собственного

производства.

Проблемы с ценами на нефть и ее поставками в 1970-ых годах

стимулировали более активное использование других энергетических ресурсов:

. Увеличилась добыча угля и международная торговля углем для частичного

замещения использования нефти.

. Увеличился интерес к использованию ядерной энергии в энергодефицитных

странах.

. Во всех странах стали более внимательно рассматривать вопросы снижения

потребление энергии.

. Более серьезное внимание стали уделять возобновляемым источникам

энергии.

Эти тенденции продолжились и в 1990-ых годах. Во всем мире происходит

значительное снижение энергозатрат в экономике. Сокращено использование

нефти для производства электроэнергии. Увеличилось использование природного

газа. Исключение составили лишь надежды некоторых государств на внесение

существенного вклада в производство энергии от возобновляемых источников.

Следствием тенденций, порожденных нефтяным кризисом, явилось

уменьшение потребления энергии на единицу валового национального продукта

на 1.3% в странах, членах OECD (Организация экономического сотрудничества и

развития), и это, как ожидается, будет иметь место и для других

развивающихся странах в будущем. Однако, в то же самое время потребление

электроэнергии на единицу валового национального продукта постоянно растет,

что отражает ее постоянно возрастающую роль практически во всех странах.

Роль электроэнергии увеличивается потому, что она является чрезвычайно

мобильным энергоносителем, который может быть произведен при использовании

самого различного топлива, может быть легко доставлен потребителям по

линиям электропередач. В настоящее время производство электроэнергии

составляет 40 % от производства всей энергии в мире.

Электроэнергия уникальна с точки зрения приведения в действие машин и

Страницы: 1, 2, 3, 4